焊接工艺对7N01P铝合金激光

2024-02-09 21:44| 来源: 网络整理| 查看: 265

激光-熔化极惰性气体保护（melt inert-gas，MIG）复合热源焊接技术，具有焊接速度快、焊接过程稳定、热效率高以及桥接性好等诸多优点，被认为是一种非常适合铝合金的高效化熔焊方法[1-2]。例如，相比于MIG焊接技术，激光-MIG复合热源焊接技术的热源能量密度更大，焊接效率更高；而相比于激光焊接技术，激光-MIG复合热源焊接技术中由于MIG电弧的加入，使待焊铝合金材料对于热源的吸收率明显提高，从而大幅度提高了焊接热量的利用率。此外，激光-MIG在复合热源焊接过程中，还可以通过优化焊接工艺参数、合理匹配激光与电弧之间的关系，来调控能量分布，从而改善接头的质量[3-6]。但需要引起注意的是，由于激光-MIG复合热源焊接技术存在焊接工艺参数繁多，且各参数之间关系十分复杂的问题，因此，也给焊接工艺参数的优化造成了极大的困难[7]。

目前，针对铝合金的激光-MIG复合热源焊接技术已经开展了较为广泛的研究，但研究的焦点主要集中在分析焊接工艺、组织与性能之间的关系等方面[8-9]。然而，对于铝合金，由于具有熔点低、导热快等特点，很容易在焊接过程中形成危害焊接接头性能的气孔。因此，如何降低铝合金熔焊接头中的气孔数量与尺寸，从而提高接头的质量，一直是铝合金熔焊领域研究的重点问题之一。但是，目前针对铝合金的激光-MIG复合热源焊接中焊接工艺参数对焊接过程中气孔的影响的研究较少，在一定程度上限制了这种高效化焊接技术的工程化应用。

鉴于A7N01高强铝合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的加工性能和焊接性能等特点，使其在促进构件轻量化的过程中具有独特优势。目前，A7N01高强铝合金在航空、航天、交通运输等领域得到了广泛的应用[10-14]。本文选取综合性能优异的7N01P铝合金作为研究对象，采用激光-MIG复合热源焊接技术对其进行对接焊接，重点研究激光功率、送丝速度和焊接速度等工艺参数对焊接接头中气孔的影响，为促进激光-MIG复合热源焊接技术在铝合金焊接领域的应用提供技术支持与理论指导。

1 实验材料、设备与方法 1.1 实验材料

本实验中采用的焊接材料为7N01P铝合金板，规格为150 mm × 75 mm × 4 mm；焊丝采用的是ER5356铝合金焊丝，直径为1.2 mm。铝合金母材及焊丝的成分如表1所示。

表 1(Table 1) 表 1 焊丝及7N01P铝合金化学成分 Tab. 1 Chemical composition of the welding wire and 7N01P aluminum alloy 单位：质量分数/% 成分 Al Si Fe Cu Mn Mg Zn 7N01P 余量 ≤0.30 ≤0.35 ≤0.20 ≤0.70 0.10～2.00 4.50～5.00 ER5356 余量 ≤0.25 ≤0.40 ≤0.10 ≤0.20 4.50～5.50 0.01 表 1 焊丝及7N01P铝合金化学成分 Tab. 1 Chemical composition of the welding wire and 7N01P aluminum alloy 1.2 实验设备

本实验中采用的设备为激光-MIG复合热源焊接实验系统，其主要由激光器、机器人（KUKA KR60）以及MIG焊机组成。其中，所用的激光器是Trumpf-TruDisk10002型碟片激光器，激光波长为1030 nm，最大连续输出功率为10 kW，光束质量为8 mm·mad，功率稳定性在 +1%，准直焦距为200 mm，聚焦焦距为300 mm，传输光纤芯径为400 μm。

1.3 实验方法

首先依次对待焊铝合金板材表面进行酸洗、碱洗；然后用刮刀等工具打磨，去除待焊7N01P铝合金表面的氧化膜；随后采用丙酮清洗其表面，进一步清除表面残余的杂质油污。待焊板材采用对接结构形式组对，且在对接结构之间预留1 mm间隙，通过夹持工具夹紧并固定在工作台上。

本实验采用纯度99.9%的氩气作为保护气体，气体流量为14 L/min。选用激光前置的焊接方式进行焊接，如图1所示。激光与电弧夹角保持在35°，离焦量确定为−2 mm，光丝间距选择在1 mm。激光功率控制在2.3～2.5 kW，焊接速度控制在0.9～1.1 m/min。采用一元化模式控制电弧工艺参数，通过改变送丝速度的方式来调整电弧输出功率。本实验中送丝速度与MIG焊机电流和电压之间的对应关系如表2所示。采用的复合热源焊接工艺参数如表3所示。

图 1 图 1 激光-MIG复合热源焊接示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the laser-MIG hybrid heat source welding 表 2(Table 2) 表 2 送丝速度和电流、电压的关系 Tab. 2 Relationships between the wire feeding speed, current and voltage 送丝速度/（m·min−1） 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 11.0 焊接电流/A 103 112 121 130 136 142 147 152 158 172 焊接电压/V 18.2 18.5 18.9 19.2 19.5 19.8 20.6 21.5 21.9 22.8 表 2 送丝速度和电流、电压的关系 Tab. 2 Relationships between the wire feeding speed, current and voltage 表 3(Table 3) 表 3 焊接工艺参数 Tab. 3 Welding technology parameters 编号激光功率/kW 送丝速度/(m·min−1）焊接速度/(m·min−1） 1 2.3 8.0 1.0 2 2.4 8.0 1.0 3 2.5 8.0 1.0 4 2.3 7.0 1.0 5 2.3 9.0 1.0 6 2.3 9.0 0.9 7 2.3 9.0 1.1 表 3 焊接工艺参数 Tab. 3 Welding technology parameters

焊接后，沿垂直于焊缝方向截取并制备金相试样，依次使用240#、400#、800#和1200#砂纸进行打磨，并用金丝绒布进行抛光，随后采用Keller试剂（HF、HCl、HNO3、H2O体积比为2∶3∶5∶90）对焊接接头进行腐蚀。在金相显微镜下观察焊接接头中气泡数量和尺寸，并计算焊接接头中的气孔率。本实验中，气孔率是指焊接接头横截面内气孔面积占焊接接头截面面积的百分比，截面面积和气孔面积通过Photoshop软件测量获得。

2 结果及分析 2.1 激光功率对气孔的影响

图2是在送丝速度为8.0 m/min、焊接速度为1.0 m/min时，在不同激光功率下获得的7N01P铝合金激光-MIG复合焊接接头的横截面形貌，其中图2（a）、（b）和（c）分别为功率为2.3、2.4、2.5 kW时获得的接头的横截面形貌。由图2可见，在3种工艺参数下，均获得了成形较好的铝合金单面焊双面成形接头。当激光功率为2.3 kW时，激光的能量较低，对焊接接头中熔池的冲击和影响作用较小，使气孔形成的概率较低，因此，产生气孔的数量较少。随着激光功率增加至2.4 kW，激光对焊接接头中熔池冲击作用逐渐增加，使熔深增加，熔池的稳定性变差，而焊接接头内气孔形成的几率也随之增加，导致接头中气孔数量增多。而随着激光功率进一步增加至2.5 kW，焊接接头中熔池变宽，且存在时间增长，使气孔逸出面积和逸出时间均增大，从而有利于气孔的逸出，致使气孔数量有所下降。可见，随着激光功率的增加，气孔的数量和尺寸呈现先增加后降低的趋势。此外，由于激光功率的增加，导致焊接接头处热输入增加，熔池的存在时间有所延长，在增加了气孔逸出时间的同时，也导致部分气孔尺寸的增大，当长大的气孔来不及完全逸出时，容易在熔池的边缘部位形成尺寸较大的气孔。

图 2 图 2 不同激光功率下焊接接头的横截面形貌 Fig. 2 Cross-sectional morphologies of the welded joints under different laser powers 2.2 送丝速度对气孔的影响

图3是在焊接速度为1.0 m/min、激光功率为2.3 kW时，在不同送丝速度下获得的7N01P铝合金激光-MIG复合热源焊接接头的横截面形貌，其中图3（a）、（b）和（c）分别为送丝速度为7.0、8.0、9.0 m/min时获得的焊接接头的横截面形貌。从图3中可以看到，在3种送丝速度下均实现了铝合金的单面焊双面成形。随着送丝速度的增加，气孔数量有所降低。当送丝速度为7.0 m/min时，MIG焊的焊接电流和电压较小，焊接热输入较小，熔池面积较小，气孔逸出时间较短，不利于气孔的逸出。随着送丝速度的增加，MIG焊的电流和电压也随之增加，而激光功率不变，因此，焊接过程中的热输入随之增加，熔池存在时间更长，有效地增加了气孔逸出的时间，从而使气孔数量降低[13]。此外，由于送丝速度的增大，导致熔池宽度的增加，这在一定程度上也有利于气孔的逸出。因此，焊接接头中的气孔数量随着MIG焊送丝速度的增加而降低。

图 3 图 3 不同送丝速度下焊接接头的横截面形貌 Fig. 3 Cross-sectional morphologies of the welded joints under different wire feeding speeds 2.3 焊接速度对气孔的影响

图4是在送丝速度为9.0 m/min、激光功率为2.3 kW时，在不同焊接速度下获得的铝合金激光-MIG复合热源焊接接头的横截面形貌，其中，图4（a）、（b）和（c）分别为焊接速度为0.9、1.0、1.1 m/min时获得的焊接接头的横截面形貌。由图4可见，在3种参数下均实现了铝合金的单面焊双面成形。随着焊接速度的增加，气孔数量先减少后增加，气孔尺寸略微增大。当焊接速度为0.9 m/min时，较小的焊接速度使激光停留时间长、热输入量大，匙孔穿透材料，使部分气体逸出，导致气孔形成的概率较低。随着焊接速度增加至1.0 m/min，熔池金属的温度梯度增加，金属冷却速度加快使其黏度提升、表面张力增大，导致匙孔稳定性提高、气孔率下降。而随着焊接速度继续增大至1.1 m/min时，熔池冷却速度过快，部分气体来不及上浮逸出，导致焊接接头中气孔数量的增多和尺寸的略微增加。此外，随着焊接速度的增加，保护气体对熔池的保护效果也会变差，这也容易导致气孔数量和尺寸的增加。

图 4 图 4 不同焊接速度下焊接接头的横截面形貌 Fig. 4 Cross-sectional morphologies of the welded joints under different welding speeds 2.4 气孔对焊接接头性能影响及其形成机制

气孔的存在会使焊件有效载荷横截面面积变小、力学性能下降，并使焊接接头的致密性变差、综合性能降低[15]。同时，在气孔的边缘处很容易产生应力集中的现象，使焊接接头的塑性变差。因此，气孔的存在对焊接接头的性能会产生明显的不利影响。

本文主要分析了激光功率、送丝速度和焊接速度等工艺参数对焊接接头中气孔的影响。对于不同工艺下的气孔率的分析结果如图5所示。由图5可知，焊接工艺参数与气孔的关系比较复杂。本研究中气孔率约在1.20%～3.96%，说明通过焊接工艺参数的优化，能够在一定程度上降低焊接接头中的气孔率。

图 5 图 5 不同焊接工艺参数下试样的气孔率 Fig. 5 Porosity of the samples under different welding process parameters

根据气孔形成机制的不同，激光-MIG复合热源焊接接头中的气孔以氢气孔为主，形成机制主要可以分为两类。一类是由熔池中析出的氢未逸出熔池表面而形成的气孔，称之为冶金类气孔，如图2（b）上部所示。这类气孔大多为球形，且内壁光滑。在复合热源焊接中，焊接速度快，焊缝和熔池较窄，熔池冷却较快，气孔来不及逸出，是冶金类气孔产生的主要原因。另一类是在激光为主的深熔焊接时，由于激光束的剧烈波动，金属蒸汽的压力小于铝合金的表面张力，匙孔不能维持稳定状态，发生塌陷，此时熔化的铝合金没有及时填入其中，形成的气孔为工艺类气孔，如图4（a）上部和图2（c）下部所示。这类气孔一般形状不规则，直径较大。这是由于复合热源焊接工艺参数繁多，激光束的冲击会引起熔池的剧烈波动，使其瞬间失稳，形成工艺类气孔。

3 结　论

本文采用激光-MIG 复合热源焊接技术，对 7N01P铝合金板材进行了对接焊接，并通过单变量法研究了工艺参数对气孔的影响，主要结论如下：

（1）在本实验条件下，通过复合热源焊接技术均可以实现7N01P 铝合金板材的单面焊双面成形。通过焊接工艺参数的优化，能够起到降低焊接接头中气孔率的作用。当激光功率为2.3 kW，送丝速度为9.0 m/min，焊接速度为1.0 m/min时，焊接接头中的气孔率最低，约为1.20%。

（2）激光功率的变化能够影响接头中气孔的形成，随着激光功率从2.3 kW增加到2.5 kW，焊接接头中气孔数量和尺寸先增加后减少；送丝速度的变化也会影响接头中的气孔数量，随着MIG焊送丝速度由7.0 m/min增加到9.0 m/min时，焊接接头中气孔数量有所降低；而焊接速度对焊接接头中气孔的影响是双向的，随着焊接速度的增加，焊接接头中的气孔数量先减少（焊接速度从0.9 m/min到1.0 m/min）后增加（焊接速度在1.1 m/min）。

（3）获得的7N01P铝合金激光-MIG 复合热源焊接接头中存在的气孔类型，按照形成机制的不同，主要分为冶金类和工艺类两种气孔。

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